CN117323828A - 一种膜污染指数评价的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种膜污染评价方法和设备。现有的膜污染评价方法的机理不充分，存在多个技术问题。本发明揭示的膜污染评价方法和设备可准确地评价膜污染情况。进一步地，本发明方法可以用于不同膜材料和膜结构，还能在不同的测试条件下可行，包括不同的压力、温度和流速。本发明还包括了对各种参数的修正，如温度、粘度和膜面积，从而提高了评估的准确性和可靠性。本发明所述方法和相关设备解决了现有技术中的多个技术问题，提高了膜污染评价的准确性和可靠性。这项发明有望在水资源管理、废水处理和环境保护等领域产生广泛而有益的应用。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体为一种膜污染指数评价方法和设备。
背景技术
膜分离工艺因其高效的去除水中各类杂质(包括悬浮颗粒物、胶体和溶解性物质)而在海水淡化、纯水制备、高品质再生水生产和工业废水处理等领域具有广泛应用前景。然而，膜分离工艺面临着膜污染的问题，这直接影响了技术的经济性和可持续性。因此，快速准确地测量进水膜的污染潜势对膜污染的有效控制至关重要。
美国材料实验协会(ASTM)制定了淤泥密度指数(SDI)，这是最早也是最常用的污染指数之一。SDI的主要目的是预测膜装置进水中颗粒物的膜污染潜势。尽管SDI在一定程度上为膜分离工艺提供了有用的信息，但它存在一些明显的缺陷。首先，SDI是基于经验值而非特定的过滤机理。其次，SDI主要关注颗粒物的测量，对于胶体和溶解性物质的检测和量化效果有限。第三，SDI未对一些关键因素进行修正，如压力、温度、粘度和膜面积的变化，这可能导致不准确的膜污染评估。最后，SDI对高污染潜势的进水不够敏感，因此不能准确预测膜装置进水的污染性质。
此外，针对污染指数的改进，ASTM D8002-15标准提出了基于微滤(MFI)膜片(0.45μm膜孔、直径47mm)的污染指数模型，如MFI-0.45。这种模型的计算依赖于滤饼层过滤机理，并且对温度、粘度和膜面积进行了修正。尽管MFI-0.45相对于SDI在某些方面有一定改进，但它仍然存在一些问题。首先，MFI-0.45仍然采用了死端过滤的方法，而在实际情况中，进水样本中颗粒物的数量、尺寸和形状可能变化范围很大，因此滤饼层过滤机理不一定是唯一主导的过滤机理。在许多情况下，膜孔堵塞和/或滤饼层压缩机理可能同时存在，这会导致MFI-0.45的测量受到膜孔堵塞和/或滤饼层压缩的干扰。
现有评价膜污染的方法或设备存在以下的问题。SDI和MFI-0.45都采用了死端过滤的测量方法，而未基于特定的过滤机理。这在实际应用中可能不准确，因为不同的水样可能存在不同的过滤机理。SDI和MFI-0.45主要关注颗粒物的测量，对于胶体和溶解性物质的检测和量化效果受限。在实际水样中，各种类型的污染物可能存在，需要一种更全面的污染指数来综合考虑不同类型的污染物。SDI和MFI-0.45未对压力、温度、粘度和膜面积的变化进行修正，可能导致在不同条件下的误差。
此外，SDI和MFI-0.45在面对高污染潜势的进水时缺乏足够的敏感性，不能准确评估膜装置进水的污染情况。同时，SDI和MFI-0.45评价方式针对含有气泡的水，非常容易受到气泡在膜表面累积所导致的渗透通量偏差，这主要是因为稍微大一些气泡不能透过亲水膜片或亲水膜组件，在膜表面累积一方面会增加过滤阻力，另一方面也会降低测试水与膜接触面积，从而导致最终评价数值的较大波动，不能反映出真实的膜污染指数。
鉴于上述问题，有必要提出一种更先进的方法和设备，以更准确、更全面地评估膜装置进水的膜污染潜势，以满足膜装置工艺在不同应用领域中的实际需求，特别是在处理高难度废水时，提高其性能和可靠性，降低运营成本，实现可持续的水资源管理。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种膜污染指数评价方法和设备，以实现对膜技术的进一步推动和应用。本发明方法未被现有理论框架所束缚，允许准确地反映膜污染情况，不受膜孔堵塞和/或滤饼层压缩和/或溶液含有微小气泡等问题的影响。
本发明所述的CMFI指的是采用错流过滤CMFI(Cross Mambrance FoulingIndex)：错流膜污染指数。
本发明所述的CMFI采取错流过滤模式。透过膜的滤液通过计量装置在线计量并将数据传输至数据记录装置。通过连续记录过滤滤液的体积V或过滤滤液质量或流量换算后的体积V和所对应的过滤时间t，绘制t/V-V曲线并进行线性拟合以判断是否符合滤饼层过滤模型。该斜率tanα的最小值即为未经修正的CMFI。
进一步地，为实现准确评价膜污染的目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，提供了一种用于膜污染指数(CMFI)评价的方法，包括以下步骤：
S1.将待测液体充满膜组件，确保待测液体与膜组件间不含气泡；
S2.启动数据记录与存储装置，并输入以下记录参数之一或多个：记录时间间隔、过滤液体体积、流量、质量、过滤时间、测试温度或压力；
S3.控制待测液体以维持跨膜压差在0.05-0.6MPa范围内和/或膜面流速在0.05-1m/s范围内；
S4.记录膜通过液体的流量或质量随时间变化的曲线；
S5.采集通过膜的滤液，绘制时间-体积比率和体积的图表，进行线性拟合以获取曲线L，并计算出曲线上每个点的斜率(tanα)；
S6.制作斜率(tanα)与时间的图表，确定斜率(tanα)的最小值，此最小值即为膜污染指数CMFI的数值；
S7.根据不同的待测条件，应用以下公式对所得的CMFI值进行修正：
其中，所述tanα表示斜率的数值，取S6所述最小值；
所述CMFI代表修正后的膜污染指数；
所述μ20代表待测液体在20℃条件下的黏度；
所述μ代表待测液体在测试温度下的黏度；
所述dP代表测试条件下的跨膜压差；
所述dP0代表在设定条件下的跨膜压差；
所述AM代表测试膜的有效膜面积；
所述AM0代表设定用膜的膜面积；
所述Q0代表设定膜在设定条件下的纯水通量；
所述Q代表测试膜在测试条件下的纯水通量。
进一步地，所述记录参数包括记录时间间隔在0.01-2秒，2-10秒，10-120秒或60-300秒之间。
进一步地，所述测试跨膜压力在0.05-0.6MPa范围内。
进一步地，所述膜可以为陶瓷膜、有机膜、金属膜、无机膜或多种材料的复合膜的一种或多种，膜的结构可以为管式单通道、管式多通道、中空纤维、平板等一种或多种。
进一步地，所述膜孔径可在1-50nm之间，或者孔径为20-50nm，或者为50-2000nm。
进一步地，所述膜组件的有效测试膜面积在0.005-0.05m2，0.01-0.25m2或0.25-30m2之间。
本发明的第二方面，提供了一种用于膜污染指数(CMFI)评价的设备，采用了上述的用于膜污染指数(CMFI)评价的方法，所述膜污染指数(CMFI)评价的设备包括：
a.)第一泵组件，能够提供至少0.6MPa的测试压力，用于供液或清洗；
b.)膜组件，由膜组成，包括进水口、循环出水口和产水出水口；
c.)计量装置，能够准确测量流体的质量或流量，并连续记录和传输数据；
d.)数据记录与存储装置，用于实时记录、存储评价方法的记录参数。
进一步地，所述CMFI膜污染评价的设备还包括：
e.)第二泵组件，能够提供至少0.6MPa的液体压力，用于清洗或供液；
f.)循环侧压力表，用于检测循环侧水的压力；
h.)电动球阀，用于切换第一泵组件和第二泵组件，通过所述电动球阀的切换实现清洗和供液过程；
i.)温度传感器，用于测量液体的温度；
j.)减压阀，用于调节液体进入膜组件时的恒定压力，以确保测试的稳定性；
k.)排气阀，用于排除系统内多余的气体，以确保系统的正常运行；
l.)膜前压力表，用于检测进膜液体的压力；
m.)第一水槽，用于储存待测水样或清洗液；
n.)废液桶，用作废液的储存容器；
o.)第二水槽，用于储存待测水样或清洗液。
有益效果
本发明引入了一种全新的膜污染指数评价方法，与现有方法相比，本发明所述方法采用了实际操作条件下的膜运行方式，因此能够更真实、更准确地反映膜污染情况。提高了膜污染评价的可靠性和性能。
本发明所述的评价方法解决了现有方法存在的多个技术问题，如膜孔堵塞、滤饼层压缩等问题的干扰。这为膜技术的进一步推广和应用提供了解决方案，有望提高膜的性能和使用寿命。
进一步地，本发明充分考虑了含微纳米气泡液体的特殊情况。在这种情况下，气泡的存在可能在膜面产生吸附和聚集，从而改变了膜的有效过滤面积。本发明采用错流过滤评价的方式，液体在膜表面具有流速，不会导致疏水性气泡在膜表面的聚集和吸附，能够准确评估膜的污染情况，无论液体中是否存在微纳米气泡，提高了评估的精确度。
本发明所述方法和相关设备为水处理领域提供了一种更准确、更可靠的膜污染评价方法，有望改善膜技术的性能和膜的使用寿命，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明一种膜污染指数评价方法中显示了根据时间-体积(t/V)对体积(V)曲线计算的tanα的曲线图；
其中：A区域表示在膜污染过程中，以膜孔堵塞行为为主导的阶段；
B区域表示在膜污染过程中，以滤饼层过滤行为为主导的阶段；
C区域表示在膜污染过程中，以滤饼层压缩行为为主导的阶段；
图2为本发明一种膜污染指数评价方法的tanα的曲线图；
图3为本发明一种含有两组泵的用于膜污染指数(CMFI)评价的设备的结构原理图；
图4为本发明一种含有一组泵的用于膜污染指数(CMFI)评价的设备的结构原理图；
其中图3、图4中：
a.)表示第一泵组件；
b.)表示膜组件；
c.)表示计量装置；
d.)表示数据记录与存储装置；
e.)表示第二泵组件；
f.)表示循环侧压力表；
h.)表示电动球阀；
i.)表示温度传感器；
j.)表示减压阀；
k.)表示排气阀；
l.)表示膜前压力表；
m.)表示第一水槽；
n.)表示废液桶；
o.)表示第二水槽
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供的一种膜污染指数评价方法，包括以下步骤：
S1.将待测液体充满膜组件，确保待测液体与膜组件间不含气泡；
S2.启动数据记录与存储装置，并输入以下记录参数之一或多个：记录时间间隔、过滤液体体积、流量、质量、过滤时间、测试温度或压力；
S3.控制待测液体以维持跨膜压差在0.05-0.6MPa范围内和/或膜面流速在0.05-1m/s范围内；
S4.记录膜通过液体的流量或质量随时间变化的曲线；
S5.采集通过膜的滤液，绘制时间-体积比率和体积的图表，进行线性拟合以获取曲线L，并计算出曲线上每个点的斜率(tanα)；
S6.制作斜率(tanα)与时间的图表，确定斜率(tanα)的最小值，此最小值即为膜污染指数CMFI的数值；
S7.根据不同的待测条件，应用以下公式对所得的CMFI值进行修正：
其中，所述tanα表示斜率的数值，取S6所述最小值；
所述CMFI代表修正后的膜污染指数；
所述μ20代表待测液体在20℃条件下的黏度；
所述μ代表待测液体在测试温度下的黏度；
所述dP代表测试条件下的跨膜压差；
所述dP0代表在设定条件下的跨膜压差；
所述AM代表测试膜的有效膜面积；
所述AM0代表设定用膜的膜面积；
所述Q0代表设定膜在设定条件下的纯水通量；
所述Q代表测试膜在测试条件下的纯水通量。
进一步地，所述记录参数包括记录时间间隔在0.01-2秒，2-10秒，10-120秒或60-300秒之间。
进一步地，所述测试跨膜压力在0.05-0.6MPa范围内。
进一步地，所述膜可以为陶瓷膜、有机膜、金属膜、无机膜或多种材料的复合膜的一种或多种，膜的结构可以为管式单通道、管式多通道、中空纤维、平板等一种或多种。
进一步地，所述膜孔径可在1-50nm之间，或者孔径为20-50nm，或者为50-2000nm。
进一步地，所述膜组件的有效测试膜面积在0.005-0.05m2，0.01-0.25m2或0.25-30m2之间。
实施例一：根据上述一种CMFI膜污染评价的方法，
取焦化废水一级反渗透浓水为待测水样，膜组件采用膜孔为20nm的中空纤维膜，膜面积为0.03m2，该膜纯水通量为13.2mL/s；
用纯水测试膜组件的纯水通量为13.2mL/s，确定膜组件洁净；
将待测液体放入水槽中，进水口放入水槽中，浓水出水口和淡水出水口和排气口放置在废液桶中；
开启供水泵，待测液体充满管道及膜组件，打开排气口阀门，排气后，关闭排气口阀门，关闭供水泵；
开启计算机，输入记录数据所需参数，时间间隔2s，计算机自动记录过滤滤液的体积质量和过滤时间，溶液温度28℃及测试压力0.1MPa；测得28℃下溶液粘度为1.80×10- 3N·s/m2，20℃溶液粘度为1.94×10-3N·s/m2。
开启供水泵，调节减压阀及调节阀，控制跨膜压差在0.1MPa，同时控制膜面流速在0.16m/s；
观察膜产水流量达到4.0g/s曲线导数为0，停止记录，关闭供水泵；
对采集数据进行处理：
将采集滤液的质量转换为体积V；
根据时间与体积绘制t/V-V图，求出每个点的tanα，绘制tanα和时间的图，确定tanαmin＝33.2s/L2；
实施例二：
取焦化废水MBR膜产水，B膜组件采用膜孔为50nm的中空纤维膜，膜面积为0.03m2，该膜纯水通量为15.6mL/s；
用纯水测试膜组件的纯水通量为15.6mL/s，确定膜组件洁净；
将待测液体放入水槽中，进水口放入水槽中，浓水出水口和淡水出水口和排气口放置在废液桶中；
开启供水泵，待测液体充满管道及膜组件，打开排气口阀门，排气后，关闭排气口阀门，关闭供水泵；
开启计算机，输入记录数据所需参数，时间间隔2s，计算机自动记录过滤滤液的体积质量和过滤时间，溶液温度25℃及测试压力0.1MPa，测得25℃下溶液粘度为1.86×10- 3N·s/m2，20℃溶液粘度为1.90×10-3N·s/m2；
开启供水泵，调节减压阀及调节阀，控制跨膜压差在0.1MPa，同时控制膜面流速在0.22m/s；
观察膜产水流量达到5.2g/s时曲线导数为0，停止记录，关闭供水泵；
对采集数据进行处理：
将采集滤液的质量转换为体积V；
根据时间与体积绘制t/V-V图，求出每个点的tanα，绘制tanα和时间的图，确定tanαmin＝56s/L2；
膜组件采用膜孔为20nm的中空纤维膜，膜面积为0.03m2，该膜纯水通量为13.2mL/s；
对B膜测得CMFI进行修正：
即，以A膜为基准膜，此待测溶液的CMFI为68.1s/L2。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种CMFI膜污染评价的设备，采用了上述的CMFI膜污染评价的方法，所述CMFI膜污染评价的设备包括：
a.)第一泵组件，能够提供至少0.6MPa的测试压力，用于供液；
b.)膜组件，由膜组成，包括进水口、循环出水口和产水出水口；
c.)计量装置，能够准确测量流体的质量或流量，并连续记录和传输数据；
d.)数据记录与存储装置，用于实时记录、存储评价方法的记录参数。
进一步地，所述CMFI膜污染评价的设备还包括：
e.)第二泵组件，能够提供至少0.6MPa的液体压力，用于清洗；
f.)循环侧压力表，用于检测循环侧水的压力；
h.)电动球阀，用于切换第一泵组件和第二泵组件，通过所述电动球阀的切换实现清洗和供液过程；
i.)温度传感器，用于测量液体的温度；
j.)减压阀，用于调节液体进入膜组件时的恒定压力，以确保测试的稳定性；
k.)排气阀，用于排除系统内多余的气体，以确保系统的正常运行；
l.)膜前压力表，用于检测进膜液体的压力；
m.)水槽，用于储存待测水样；
n.)废液桶，用作废液的储存容器。
需要说明的是，如果在本文中，诸如有“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种用于膜污染指数(CMFI)评价的方法，包括以下步骤：
S1.将待测液体充满膜组件，确保待测液体与膜组件间不含气泡；
S2.启动数据记录装置，并输入以下记录参数之一或多个：记录时间间隔、过滤液体体积、流量、质量、过滤时间、测试温度或压力；
S3.控制待测液体以维持跨膜压差在0.05-0.6MPa范围内和/或膜面流速在0.05-1m/s范围内；
S4.记录膜通过液体的流量或质量随时间变化的曲线；
S5.采集通过膜的滤液，绘制时间-体积比率和体积的图表获取曲线L，并计算出曲线上每个点的斜率(tanα)；
S6.制作斜率(tanα)与时间的图表，确定斜率(tanα)的最小值，此最小值即为膜污染指数CMFI的数值；
S7.根据不同的待测条件，应用以下公式对所得的CMFI值进行修正：
其中，所述tanα表示斜率的数值，取S6所述最小值；
所述CMFI代表修正后的膜污染指数；
所述μ20代表待测液体在20℃条件下的黏度；
所述μ代表待测液体在测试温度下的黏度；
所述dP代表测试条件下的跨膜压差；
所述dP0代表在设定条件下的跨膜压差；
所述AM代表测试膜的有效膜面积；
所述AM0代表设定用膜的膜面积；
所述Q0代表设定膜在设定条件下的纯水通量；
所述Q代表测试膜在测试条件下的纯水通量。
2.根据权利要求1所述的膜污染指数评价方法，其特征在于：所述记录参数包括记录时间间隔在0.01-2秒，2-10秒，10-120秒或60-300秒之间。
3.根据权利要求1所述的膜污染指数评价方法，其特征在于：所述测试跨膜压力在0.05-0.6MPa范围内。
4.根据权利要求1所述的膜污染指数评价方法，其特征在于：所述膜可以为陶瓷膜、有机膜、金属膜、无机膜或多种材料的复合膜的一种或多种，膜的结构可以为管式单通道、管式多通道、中空纤维、平板等一种或多种。
5.根据权利要求1所述的膜污染指数评价方法，其特征在于：所述膜孔径可在1-50nm之间，或者孔径为20-50nm，或者为50-2000nm。
6.根据权利要求1所述的膜污染指数评价方法，其特征在于：所述膜组件的有效测试膜面积在0.005-0.05m2，0.01-0.25m2或0.25-30m2之间。
7.一种用于膜污染指数(CMFI)评价的设备，采用如权利要求1-6任一项所述的膜污染指数评价方法，其特征在于，所述用于膜污染指数(CMFI)评价的设备包括：
a.)第一泵组件，能够提供至少0.6MPa的测试压力，用于供液或清洗；
b.)膜组件，由膜组成，包括进水口、循环出水口和产水出水口；
c.)计量装置，能够准确测量流体的质量或流量，并连续记录和传输数据；
d.)数据记录与存储装置，用于实时记录、存储评价方法的记录参数。
8.根据权利要求7所述的一种用于膜污染指数(CMFI)评价的设备，其特征在于：还包括：
e.)第二泵组件，能够提供至少0.6MPa的液体压力，用于清洗或供液；
f.)循环侧压力表，用于检测循环侧水的压力；
h.)电动球阀，用于切换第一泵组件和第二泵组件；
i.)温度传感器，用于测量液体的温度；
j.)减压阀，用于调节液体进入膜组件时的恒定压力；
k.)排气阀，用于排除系统内多余的气体；
l.)膜前压力表，用于检测进膜液体的压力；
第一水槽，用于储存待测水样或清洗液；
n.)废液桶，用作废液的储存容器；
o.)第二水槽，用于储存待测水样或清洗液。
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| CN202311153528.8A CN117323828A (zh) | 2023-09-07 | 2023-09-07 | 一种膜污染指数评价的方法及设备 |
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